Queste celle solari flessibili ci avvicinano all'eliminazione dell'abitudine ai combustibili fossili

Illustrazione fotografica di una perovskite Foto per gentile concessione di Oxford PV

• Le celle solari in perovskite possono essere più economiche, leggere, più efficienti dal punto di vista energetico e più facili da produrre rispetto al silicio tradizionale
• Potrebbero essere applicati su finestre, superfici di forma irregolare o persino su veicoli in movimento e aprire una gamma completamente nuova di usi per l'energia solare, come la desalinizzazione
• La sfida più grande: renderli abbastanza resistenti

Lo scorso dicembre, i ricercatori in un laboratorio di Oxford, in Inghilterra, hanno puntato una lampada solare su una minuscola cella solare, di appena un centimetro quadrato circa.

Il dispositivo era in realtà due celle, impilate una sull'altra. Quello inferiore è stato realizzato con il tipo di silicio utilizzato nei pannelli solari standard. Ma la parte superiore era perovskite, un materiale con una struttura cristallina particolarmente abile nel trasformare la luce in elettricità.

Un paio di sonde collegate alla cosiddetta cella solare tandem ne hanno misurato le prestazioni. Altri ricercatori nel laboratorio di Oxford PV, un'azienda uscita dall'università nel 2010, si sono riuniti dietro un monitor a schermo piatto, in attesa che appaia un calcolo dell'efficienza della cella. Quando lo fece, si scambiarono il cinque. La cella aveva convertito il 28% dell'energia della luce in elettricità, un nuovo record di efficienza per un dispositivo perovskite su silicio. Un test indipendente lo ha confermato pochi giorni dopo, dopo che la minuscola cellula è stata messa su un aereo per il National Renewable Energy Laboratory (NREL) a Golden, in Colorado.

La cella solare di dimensioni commerciali di Oxford PV (a sinistra) e la versione quadrata di un centimetro (a destra).

Mentre i pannelli di silicio potrebbero dominare il mercato, con una quota di mercato di circa il 95%, il silicio non è un materiale solare particolarmente buono. Utilizza principalmente la luce dell'estremità rossa e infrarossa dello spettro solare e deve essere abbastanza spessa e voluminosa per assorbire e convertire i fotoni. I pannelli solari al silicio più efficienti sul mercato raggiungono un'efficienza inferiore al 23%, mentre il massimo teorico per un singolo strato di silicio è di circa il 29%.

La perovskite, d'altra parte, può utilizzare più luce che la raggiunge e può essere sintonizzata per funzionare con diverse parti dello spettro. Oxford PV ha optato per la fascia blu. Accoppiati in una cella, i due materiali possono convertire insieme più fotoni in elettroni di quanti ne possano fornire da soli.

Oxford PV prevede di fornire celle solari a base di perovskite e silicio sul mercato entro la fine del prossimo anno, utilizzando uno stabilimento tedesco acquisito nel 2016 da Bosch Solar. I due materiali arriveranno in un pacchetto che altrimenti sembra, viene spedito e si installa allo stesso modo di un pannello solare standard, in una sorta di mezzo passaggio che l'azienda ritiene renderà più facile l'introduzione della tecnologia sul mercato.

Lo stabilimento di produzione di Oxford PV in Germania. Oxford PV

È un'interruzione della tecnologia senza l'interruzione dell'attività, afferma Chris Case, Chief Technology Officer di Oxford PV.

Decine di startup che avevano cercato di soppiantare il silicio circa un decennio fa sono finite invece in bancarotta o sono state relegate in un mercato di nicchia. Ma i venture capitalist sì investito decine di milioni di dollari in iniziative di perovskite negli ultimi mesi, riscaldando quello che era stato a lungo un mercato gelido per i materiali solari alternativi. La domanda ora è se anche le perovskiti svaniranno o alla fine batteranno i pannelli di silicio sul mercato.

C'è tutta una serie di cose che la rendono una tecnologia potenzialmente trasformativa, afferma Joe Berry, che guida il programma di ricerca sulla perovskite presso il National Renewable Energy Laboratory. Ma l'elenco delle tecnologie che hanno cercato di competere con il silicio è lungo e illustre, quindi devi essere umile anche in questo senso.

Una cella solare sotto steroidi

Alla fine degli anni 2000, un certo numero di startup ben finanziate ha tentato di commercializzare materiali solari nuovi e più flessibili, comprese le tecnologie a film sottile come tellururo di cadmio e seleniuro di rame indio gallio (ricordate Solyndra?), Oltre a cose come celle solari organiche. La promessa era che le celle realizzate con tali materiali sarebbero state molto più economiche da produrre e avrebbero potuto essere prodotte in varie forme.

Ma i pannelli solari al silicio erano un obiettivo in rapido movimento. I livelli di efficienza hanno continuato a migliorare e i prezzi sono crollati, Grazie agli sforzi di ricerca finanziati dal governo, alle politiche di stimolo del mercato e alle economie di scala.

Costi dell'impianto fotovoltaico commerciale (dollari USA per watt di corrente continua per sistemi a inclinazione fissa)

Fonte: Laboratorio Nazionale Energie Rinnovabili | Grafico creato da MIT Technology Review

La Cina, in particolare, ha adottato sussidi e strategie aggressive per accelerare la produzione e le esportazioni nel tentativo di dominare il mercato. Le spedizioni di moduli della nazione e la quota di mercato globale sono decollate a partire dalla metà degli anni 2000, provocando accuse di dumping illegale volte a mettere fuori combattimento i rivali d'oltremare. I prezzi dei pannelli in silicio commerciali sono diminuiti di oltre la metà dal 2010 al 2013 e il mercato delle alternative è affondato.

Quindi oggigiorno, per giustificare l'enorme spesa per la costruzione di nuove fabbriche, catene di approvvigionamento e canali di distribuzione, qualsiasi nuovo materiale deve essere migliore in modi cruciali: più efficiente, più economico da produrre, più versatile, più duraturo o, idealmente, tutto il sopra.

La perovskite brilla in alcune di queste categorie. Un singolo strato può teoricamente raggiungere il 33% di efficienza, mentre un dispositivo tandem perovskite su silicio potrebbe raggiungere circa il 43%. L'elevata efficienza è importante perché puoi produrre più elettricità dallo stesso numero di pannelli o la stessa quantità con un ingombro ridotto e costi inferiori.

I moduli solari in perovskite dovrebbero anche essere più economici da produrre, almeno alla fine. La produzione di pannelli in silicone è un'operazione a più fasi processo di fabbricazione ciò comporta la raffinazione del silicio a calore elevato, l'infusione di altri materiali e l'affettamento preciso in wafer che devono poi essere modellati con precisione in una camera bianca per creare una cella fotovoltaica.

Le perovskiti, d'altra parte, possono essere prodotte a basse temperature e utilizzate in forma liquida per rivestire materiali flessibili come la plastica, consentendo un processo di produzione roll-to-roll simile alla stampa di giornali.

Riproponendo l'impianto di produzione a film sottile di Bosch, Oxford PV prevede di essere in grado di produrre in serie celle di silicio e perovskite entro la fine del prossimo anno e di confezionarle insieme in pannelli dall'aspetto standard.

È una normale cella solare sotto steroidi, dice Case.

A marzo, Oxford PV ha detto di sì innalzata più di $ 40 milioni per immettere i suoi prodotti sul mercato, portando il finanziamento totale e il finanziamento a circa $ 100 milioni. La fabbrica produrrà celle per un valore di 250 megawatt ogni anno.

Anche un'altra startup di perovskite, Energy Materials, sta cercando di utilizzare la produzione roll-to-roll. Con sede a Rochester, New York, utilizza apparecchiature cinematografiche originariamente costruite per Eastman Kodak per produrre in serie pannelli solari di sola perovskite. Su larga scala, il processo costerà la metà della produzione di un modulo solare tradizionale, mentre i costi di capitale saranno di un ordine di grandezza inferiori, perché il silicio richiede macchine e impianti costosi e precisi, afferma Thomas Tombs, Chief Technology Officer dell'azienda.

La cella solare in perovskite flessibile di Swift Solar. Solare veloce

Poiché la perovskite può essere flessibile, semitrasparente e leggera, potrebbe essere utilizzata anche dove i pannelli solari rigidi e pesanti non funzionerebbero: su finestre, tetti più scricchiolanti, superfici di forma irregolare o persino su veicoli in movimento.

Swift Solar, una startup affiliata a NREL che ha innalzata quasi $ 7 milioni negli ultimi mesi, è guardando mettendo celle solari tandem perovskite-perovskite - che utilizzano due strati di perovskite, ciascuno sintonizzato su una parte diversa dello spettro - su droni e veicoli elettrici per estendere la loro portata, secondo il suo CEO, Joel Jean. Una tale cella potrebbe essere altamente efficiente, nonché più flessibile e leggera di una con uno spesso strato di silicio.

Sbloccare nuovi usi per l'energia solare

Nel suo libro domare il sole, Varun Sivaram, chief technology officer di ReNew Power, sostiene che le nuove tecnologie solari come le perovskiti potrebbero essere essenziali per sostituire in definitiva i combustibili fossili.

Ma perché abbiamo bisogno di un'energia solare ancora più economica se i pannelli di silicio sono già competitivi, ad esempio, con una centrale a carbone?

Uno dei maggiori problemi del solare è che una volta che genera una parte significativa dell'elettricità sulla rete, il valore aggiuntivo del pannello o dell'impianto successivo inizia a diminuire drasticamente.

Questo perché di notte, i parchi solari non generano affatto elettricità, il che significa che il resto del sistema deve ancora essere in grado di soddisfare la domanda totale. Nelle giornate di sole, invece, potrebbe esserci più elettricità di quella che il sistema può utilizzare o immagazzinare. Questo sta già accadendo in regioni con molta energia solare, come Germania, Cina e California.

Gli operatori di rete devono regolarmente costringere o incentivare i parchi solari a ridurre la loro produzione, spesso spingendo i prezzi a zero o addirittura al di sotto. Ciò può spremere i profitti degli impianti solari, eliminando gli incentivi economici per costruirne di più e continuare a ridurre l'uso di combustibili fossili.

In un carta pubblicato su Nature Energy nel 2016, Sivaram e Shayle Kann, ora amministratore delegato della società di private equity Energy Impact Partners, hanno calcolato che per preservare gli incentivi economici per continuare a costruire più impianti, il costo di sviluppo del solare dovrebbe scendere a 25 centesimi per watt . I costi all-in dei sistemi commerciali più economici sono di $ 1,06 per watt, secondo il ultimo rapporto NREL .

Gran parte di ciò è dovuto al prezzo elevato dell'installazione e del cablaggio dell'hardware ingombrante. Così riducendo drasticamente il prezzo che probabilmente richiederà non solo celle solari a buon mercato, ma anche celle leggere e flessibili che sono più facili da implementare. Le perovskiti sono il materiale più promettente per fare qualcosa del genere oggi, dice Sivaram.

L'elettricità solare a basso costo potrebbe anche ridurre il costo di cose come la desalinizzazione dell'acqua di mare, alberi artificiali che possono strappare anidride carbonica dall'atmosfera o impianti di elettrolisi che possono convertire l'energia in eccesso in combustibile a idrogeno.

Sblocca tutte queste altre nuove applicazioni a cui non abbiamo mai pensato prima, dice Sivaram.

Il problema dell'instabilità

La domanda più difficile che circonda le perovskiti è la loro durata. I salti di efficienza non contano molto se il materiale dura solo pochi mesi o addirittura anni, e finora le perovskiti hanno avuto la tendenza a degradarsi rapidamente se esposte alla luce ultravioletta e all'umidità.

Questo è un grosso problema per un materiale che deve rimanere sotto il sole per alcuni decenni. E se le aziende lanciano pannelli di perovskite che finiscono per guastarsi troppo presto, rovinerà la reputazione del materiale anche se in seguito svilupperanno versioni più durevoli.

Un impiegato del fotovoltaico di Oxford esamina celle solari tandem perovskite-silicio di dimensioni commerciali. Oxford PV

Per ora, il piano di mercato di Oxford PV dipende dal fatto che la sua cella di perovskite-silicio possa essere fatta funzionare e sembrare un pannello solare in silicio standard, che include l'imballaggio in un involucro di vetro che lo aiuterà a durare più a lungo.

Ma l'azienda ha dovuto lavorare sodo sulla stabilità del materiale stesso, impiegando la modellazione computazionale e lo screening rapido per individuare composizioni promettenti tra circa mezzo milione di possibilità. La ricetta dell'azienda per le perovskiti è proprietaria, ma il suo CEO, Frank Averdung, è rialzista. Abbiamo risolto il problema dell'affidabilità, dice. Ci siamo riusciti, e questo è il motivo per cui ora possiamo passare alla modalità di produzione.

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